一种吸能护堤的海底发电装置

何凯柯

海洋环境变幻莫测，海难频发，在海难面前，中国每年都蒙受了巨大的损失，海滨居民的生命、财产安全受到严重威胁。国家海洋局《2016年中国海洋灾害公报》显示：仅此一年，我国各类海洋灾害就造成了直接经济损失50亿元，死亡（含失踪）60人，而这样的灾情和过去相比已经是总体偏轻的了。由此可见，抑制海浪，避免灾难的需求十分迫切。

而在自然界的某些地区，海浪与泥泞海底相互作用，波高在一两个波长的距离内即被削减至安全范围，波浪能耗散显著。但海底泥不稳定，易迁移，导致我国目前仅有四分之一的海岸线受泥泞保护。充分利用大量耗散的波浪能，实施人工消波、化害为利，把被动阻挡式海岸防护工程变为主动式防护工程，已经成为海洋工程研究热点之一。我发明的这种吸能护堤的海底发电装置正是基于这一热点的一个尝试。

波浪能是指海洋表面波浪所具有的动能和势能。贮存的能量通过摩擦和湍动而消散，其消散速度的大小取决于波浪特征和水深。

目前主要的波浪能收集方式有振蕩浮子式、振荡水柱式、近岸式等。但是，现有方式多装设在海面，不仅妨碍船只航行及海洋生态，而且在恶劣海况下无法抵抗风浪的冲击破坏，十分脆弱。我国的波浪能发展仍需要探索更加可靠的收集发电方式。因此，我不由得想到，将波浪能收集装置放在海底，或许会有意想不到的效果！

首先要思考的是，海底有没有类似的和波浪能相关的现象呢？有的。波泥现象，就是海底淤质泥床与流经波浪相互作用导致波浪能量衰减的现象。

为了克服海面发电装置的不足，我们特别模拟海底波泥现象，设计该装置。其整体设计思路如下：

基于波泥效应的护堤吸能海底发电装置，包括能量采集装置、机械变频装置和能量转换装置，所述能量采集装置包括柔性毯1、刚性架2和连接板3，柔性毯1材质为硅胶，柔性毯1底部设有刚性架2，所述刚性架2底部设有连接板3，刚性架2通过连接板3固定在柔性毯1上，刚性架2的材质为玻璃纤维。柔性毯1通过模拟海底泥面对海面波浪的削减，基于波泥效应从波浪中收集耗散能量。

能量采集装置底部设有机械变频装置，该机械变频装置包括主架4、底座5，受力杆6、滚珠丝杠7、传动杆8、联轴器14、曲柄连杆15、套筒16和滚动轴承18。底座5设在海床上，用于固定能量采集装置，底座5上安装主架4；主架4顶部设有受力杆6，用于接收能量采集装置收集的波浪能，受力杆6底部连接滚珠丝杠7上的螺母，滚珠丝杠7通过滚动轴承18固定在主架4内部，底部设有联轴器14和曲柄连杆15，传动杆8通过曲柄连杆15与滚珠丝杠7连接，曲柄连杆15与传动杆8之间设有套筒16，其中曲柄连杆15与套筒16之间通过螺钉连接，传动杆8与套筒16焊接。由于海面波浪起因为自然风力，波浪振动频率远远小于发电装置固有频率，故利用滚珠丝杠7的逆传动放大激励频率，运动精度高，传动效率可达90%。

能量变换装置与机械变频装置连接，该能量变换装置包括顶盖9、底盖10、防护管11、动子永磁体组12、定子线圈13和定子护管17，顶盖9与底盖10之间设有防护管11，防护管11材质为石英，能够有效防止海水进入腐蚀内部装置。动子永磁体组12吸附在传动杆8，其位置在定子护管17的内部，定子护管17的底部固定在底盖10上，定子护管17上缠绕定子线圈13。

能量采集装置模拟海底泥面对海面波浪的削减，基于波泥效应从波浪中收集耗散能量，并周期性地推动受力杆6，周期性的推力带动滚珠螺母线性往复运动，使滚珠丝杠7发生旋转运动，再通过联轴器14传递扭矩带动曲柄连杆15工作，通过传动杆8带动动子永磁体组12往复运动直线式发电，实现机械能到电能的转化。

我国有广阔的海洋资源，波浪能的理论存储量为7000万千瓦左右，有巨大的开发价值和应用前景。我国沿海有效波高约为2～3 m、周期为9 s的波列，波浪功率可达17～39 kW/m，渤海湾更是高达42 kW/m。波浪能能量密度高、分布面广，是一种取之不竭的可再生清洁能源。尤其是在能源消耗较大的冬季，可以利用的波浪能也最大。此外，因为装置在工作过程中耗散了相当数目的波浪能，对于我国70%没有泥泞的海岸线处的海堤安全，也有着重要的防护意义。

（指导教师 徐 鸽 编辑 孙世奇）endprint